http://dx.doi.org/10.7735/ksmte.2014.23.6.609 J. Korean Soc. Manuf. Technol. Eng. ISSN 22834846(Online) / ISSN 22336036(Print) COB LED High Bay 대칭형광학계의배광각에관한연구 유경선 a*, 이창수 a, 현동훈 a Investigation of the Angular Distribution of Luminous Intensity in the Symmetric Optical System of a COB LED High Bay KyungSun Yoo a*, ChangSoo Lee a, DongHoon Hyun a a Course for Knowledgebased Technology(OptoNanotronics), Korea Polytechnic University, 237, Sangidaehakro, Siheungsi, Gyeonggido, 429793, Korea ARTICLE INFO Article history: Received 3 November 2014 Revised 2 December 2014 Accepted 11 December 2014 Keywords: Chip on board LED LED Light High bay light Symmetric optical system Luminous intensity distribution angle Pattern reflector ABSTRACT We have studied a chiponboard LED lighting optical system for various luminousintensitydistribution angles of the LED. An optical system that can accept different LEDs was made to reduce the systems s weight and size as we selected the chiponboard LED, which is easy to apply to optical systems, unlike existing packageonboard LEDs. The luminousintensitydistribution angles were 45, 60, 90, and 120. We researched these four types of optical systems. The 45 and 60 units were developed into reflectors, and the 90 and 120 units, into lenses. We checked the performance of the designed optical system through simulation and made a mockup. Then we made a prototype of the chiponboard LED high bay for use with the mockup. After measuring its performance, we tested the luminousintensitydistribution angles and compared them with simulation data. The resulting prototype was developed considering brightness, light uniformity, age, and economics which are suitable for a factory environment. 1. 서론 LED는차세대조명으로써주목받는소자이다. 현재 LED를여러조명분야에적용하기위한연구가진행되고있는데, 그중에서도기존의메탈할라이드 (Metal Halide), 고압나트륨공장등을 LED High Bay 조명으로교체하고자하는수요가높아이분야에대한연구가활발히진행되고있다. 기존의공장등은조명높이가다양하여그에따라메탈할라이드 250 W급, 400 W급, 1 kw급등을주로사용하고있다. 하지만기존공장등의경우반사갓으로 60 배광각만을이용하고있어, 층고가높고등간격이먼장소에 서는등사이에암부가생겨작업안전상에문제 [1] 가많다. 따라서광균일도를만족하면서다양한배광각을가지는초정밀광학부품을개발해야한다. 또한현재까지개발된메탈할라이드대체 LED High Bay 조명은 POB (Package on Board, 표면실장형 ) 1~3 W급 LED Module을 PCB에수십에서수백개어레이 (Array) 해서 LED 광원을제작하여 LED 조명기구를만드는기술이일반적인기술인데, 그에따른방열기구의무게가많이나가천장구조물에하중부담을주어붕괴위험이있었다 [2]. 본논문에서는다양한 LED 조명배광각을갖는 COB (Chip on * Corresponding author. Tel.: +823180411784 Fax: +823180411786 Email address: yks077@naver.com (Kyungsun Yoo). 609
KyungSun Yoo, ChangSoo Lee, DongHoon Hyun Board) LED 조명용광학계를연구하였다. 광학계에적용하는 LED는기존의 POB LED가아닌광학계적용이용이한 COB LED로선정하여조명의전체적인무게와크기를감소할수있게하였다. 기존의공장에암부가발생한원인은단순한배광을공장상황을고려하지않고설치하여등사이에간격이먼경우그사이에암부가발생하였다. 하지만본논문에서는배광각이 45, 60, 90, 120 인 4개의공장등을연구하여공장의등설치환경에따라적용군을다르게하는방식으로암부의최소화가가능하게하였다. 이중 45, 60 는반사체 (Reflector) 형, 90, 120 은렌즈 (Lens) 형으로개발하였다. 본개발광학계는광학설계후광학성능을시뮬레이션 (Simulation) 을통해확인한뒤에광학계 Mockup 을제작하였다. 제작한광학계 Mockup 을적용한 COB LED High Bay 시제품을제작하여조명성능을측정후배광각을시뮬레이션데이터와비교 실험하였다. 본개발 COB LED High Bay 시제품은공장조명환경에맞춘밝기, 광균일도, 수명, 경제성등을고려하여개발하였다. 2. 광원선정 적용이용이하며, 모듈의사이즈가작아지면서적용하는히트싱크의크기도작아지게된다. 최종적으로 LED 조명의소형화및경량화가가능하다. 본논문에서사용한 COB LED는 Fig. 3의일본 Citizen사의 CLL052을사용하였다. Table 1은 CLL052의사양을정리한표이다. Table 1에서 CCT(Correlated Color Temperature) 는상관색온 Fig. 1 Luminous intensity distribution pattern of the POB LED LED 조명의광원을시대별로보았을때, 0세대 LED 조명은포탄형 LED, 1세대 LED 조명은 POB형 LED, 2세대 LED 조명은 COB형 LED로나눌수있다. 기존 LED High Bay 조명은 POB 1~3W급 LED 모듈 (Module) 을 PCB에어레이해서 LED 광원을제작하여 LED 조명기구를만드는기술이일반적인기술이었으나, POB LED의배광패턴은 Fig. 1과같이램버시안 (Lambertian) 이므로중앙은밝고주위는어두워기존메탈할라이드반사갓을그대로사용할경우조명효율이떨어진다. 또한 LED 간의빛간섭으로인한광균일도문제 [3] 와 LED 광원의직진성에따른눈부심문제가발생하는데이를해결하기위한광학계를적용하기위해서는 Fig. 2와같이각각의 LED에직접적으로광학계를적용해야한다. 또한대부분의 POB형조명은다수의 LED를사용함에따른고열을처리하기위해다이캐스팅히트싱크 (Diecasting Heatsink) 및케이스 (Case) 일체형을사용하는데무게가많이나가천장구조물에하중부담을주어붕괴위험이있으므로방열무게및방열최적화가필요하다. 본연구에서는광원으로기존의 POB LED가아닌 COB LED 를사용하였다. COB LED는일정면적의 PCB 위에 LED 칩 (Chip) 수십에서수백개를일정한배열로직접부착한소자표면부착기술로서열저항을최대한낮추고, 조명에서원하는면광원을구현하기위한조명용 LED이다. COB LED는기존 POB형 LED 패키지보다작은크기로최고 200W의고출력이가능하고, 광학계 Fig. 2 LED light of POB type Fig. 3 COB LED module (CLL052) 610
Luminous flux (lm) Table 1. CLL052 material properties CCT (K) CRI (Ra) Test current (ma) Power (W) Efficacy (lm/w) 14,000 5,000 65 1,700 100 140 도로광원의색도좌표를나타내는점에가장가까운완전방사체 ( 흑체 ) 궤적상의점에대응하는색온도를말한다. CRI (Color Rendering Index) 는연색성으로색을인식하는시각적환경이얼마나태양광과유사한지숫자로나타낸지표로 100에가까울수록자연광과유사해진다 [4]. 3. 광학계설계및시뮬레이션 3.1 광학계패턴설계 COB LED는적절한조명제품으로사용하기위해면광원고유의램버시안배광을추가적인광학렌즈를사용하여배광제어를하는데이러한광학계적용시광원으로사용되는불연속의칩마운팅 (Chip Mounting) 에의한불안정한칩구조에의해국소적으로색좌표를변형시키는문제를유발하게되어색분리현상이발생되는문제점이있다. 특히, 빛이조사되는조사면에광분리되어패턴이형성되거나분산패턴또는띠무늬패턴등이형성되는문제점이발생되고, 이러한 COB LED 를적용하는데따른기술적어려움이크다. 이러한색분리현상을해결하기위해서본연구광학계에는삼각함수형의교차파동패턴 (Trigonometric Crosswave pattern) [57] 을적용하였다. 그수식은다음과같다. (a) 45 (b) 60 Fig. 4 Reflector of aspherical pattern Table 2 Reflector specification Design specification Aspherical coefficients 1/cv 17.192 cc 1.3 (a) 45 sin sin (1) 여기서, Z는비구면표면함수 [7] 이고, cv는면의곡률, cc는원추계수이다. as 2, as 3, as 4, as 5 는비구면계수이며, 원추곡면에서벗어난정도를의미한다. D 1 는교차파동패턴깊이 (Depth), H 1 는교차파동패턴주기이다. 여기서 LED 패키지의불연속칩마운팅주기를 L 1 이라하였을때, 식 (2) 와식 (3) 을만족시킬수있도록형성되는것이본교차파동패턴의특징이다. 정수 (2) (3) (b) 60 Fig. 5 Pitch and depth of the pattern Table 3 Pattern specification Angle Pitch (mm) Depth (mm) 45 4.0 0.3 60 6.0 1.3 3.2 반사체설계 본연구에서목표로하는배광인 45, 60, 90, 120 중 60 이하의광학계는반사체를적용하여배광을구현하였다. 반사체광 학설계는 LightTools를사용하였고, 반사면은알루미늄 (Al, 반사 율 87%) 으로선정하였다. 반사체비구면에빛분리현상을방지하 기위해 Fig. 4와같이교차파동패턴을적용하였다. 패턴의피치 611
KyungSun Yoo, ChangSoo Lee, DongHoon Hyun (Pitch) 와깊이의차이에따라배광의각도가달라지기때문에, 피치와깊이의간격에달리하여여러배광각을시뮬레이션한결과, 45 와 60 의배광각을갖는패턴반사체를설계하였다. Table 2는본비구면반사체의계수값이다. 본반사체에적용된교차파동패턴은 Fig. 5와같이배광각 45 는간격 4.0 mm, 깊이 0.3 mm이고, 배광각 60 는간격 6.0 mm, 깊이 1.3 mm이다. Table 3은각도별적용된패턴의간격과깊이를정리한표이다. 3.4 렌즈설계배광각 90, 120 인광학계는렌즈광학계를사용하였다. 렌즈설계는 LightTools를사용하였고, 렌즈의재질은 PMMA (Polymethyl methacrylate) 를사용하였다. 설계렌즈는빛을제어하기위해렌즈내측비구면의빛을 Collimating하고바깥측비구면으로는빛을확산시켜빛의균일성을확보하는것을기본으로하여 3.3 반사체광학시뮬레이션설계된비구면패턴반사체를앞에서선정한 COB LED와맞추어광학시뮬레이션을실시하였다. 시뮬레이션은 Table 4의조건으로실시하였으며, 반사체의재질은알루미늄으로설정하였다. 본시뮬레이션의광원으로는 Fig. 2의 CLL052 COB LED를사용하였다. CLL052 의칩간격은 0.6 mm 0.05 mm로 Fig. 6과같이 LightTools에서광원을배치하여, Fig. 7의 3D로설계한광학계를적용하여시뮬레이션을실시하였다. 시뮬레이션결과 Fig. 8과같이방사각 45 와 60 를갖는배광곡선을확인할수있다. Fig. 9 (a) 는 45 의반사체를적용하였을때, 12 m 12 m 크기의일정조사면에 5 m의높이에서비친조도분포도로방사되는광선경로를직교좌표형태로나타내었으며중심광 504 lux인것을확인하였다. Fig. 9 (b) 는 60 의반사체를적용하였을때, 12 m 12 m 크기의일정조사면에 5 m의높이에서비친조도분포도로중심광 357 lux인것을확인하였다. Fig. 7. LightTools simulation Table 4 Simulation conditions Condition Value LED flux 14,000 lm Reflector reflectance 87% Receiver distance 5 m Receiver size 12 m 12 m Ray quantity 50,000,000 (a) 45 (b) 60 Fig. 6 LightTools applied LED Fig. 8 Luminous intensity distribution pattern 612
(a) 90 (b) 120 Fig. 10 Aspherical lens Table 5 Lens specification Design specification (a) 45 90 120 ASP1 ASP2 ASP1 1/cv 27 2.208 1.863 40.5 cc 0.5 1.2 1.35 0.80 2.0525e4 2.1541e5 2.9728e7 1.0437e8 as2 2.00000e6 3.57169e4 ASP2 as3 2.69815e7 as4 9.18228e10 1.6978e10 4.8335e12 as5 1.58837e12 3.4747e14 1.7518e15 as6 6.2629e19 2.3178e19 as7 4.0429e23 6.1045e24 Table 6 Simulation conditions (b) 60 Fig. 9 Illuminance chart 렌즈를 설계하였다. 렌즈 구조는 렌즈의 내측 중심부분에 아이시클 (Icicle)[9]과 같은 광조정돌부를 형성시킨 좌우 대칭구조이며, 비 구면으로 형성되어 있다. 본 렌즈 설계 수식으로 식 (4)의 에너지 Intensity 함수인 Condition Value LED flux 14,000 lm Lens transmittance 100% Receiver distance 5 m Receiver size 90 : 20 m 20 m 120 : 37 m 37 m Ray quantity 50,000,000 으로 시작한다. 여기서 sr은 스테라디안(Steradian)이고, 는 지점에선의 발산되는 램버시안 배광의 Max 수치이다. 렌즈의 외부는 아이시클 비구면 내면을 통해 광확산 및 광 조정된 는 PSF (Point Spread Funtion)이다. 상태의 LED 광원을 앞방향으로 투과시켜 빛을 보내는 기능을 담당 하게 되는데, 반사체와 마찬가지로 삼각함수형의 교차 파동 패턴을 (4) 렌즈 표면에 적용하여 색 분리 현상을 해결하였다. 여기서 120 의 배광각을 구현하기 위해 외부의 형상을 낮은 반구형의 구조로 형성 식 (4)의 를 원형의 광원으로 확장시키면 아래의 식 5로 하고 렌즈의 중심부분을 완만하게 함몰시켜 광확산을 유도하였는데 표현된다. 여기서 는 평면 리시버에서의 광분포함수이다. 그 결과 렌즈의 색분리 현상이 개선되어 120 의 렌즈에서는 패턴을 제거하였다. Fig. 10은 배광각이 90, 120 인 광학렌즈의 모습이고, (5) Table 5는 본 비구면 렌즈들의 계수 값이다. 3.5 렌즈 광학 시뮬레이 션 설계된 비구면 렌즈를 COB LED와 맞추어 광학 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 Table 6의 조건으로 실시하였다. 이 아이시클 부분이 각 필드별로 LED의 발산광에 대해 내부 반 사(Reflection)와 굴절(Refraction)의 동시작용을 유도하고, 아이 시뮬레이션 결과 Fig. 11과 같이 방사각 90 와 120 를 갖는 방 시클과 연결되는 오목면은 LED의 발산광에 대해 굴절시킴으로써 사패턴 그래프를 확인할 수 있다. Fig. 12(a)는 90 의 렌즈를 적용 LED의 발산광을 면광원이 되게 고르게 광 확산시키도록 조정하게 하였을 때, 20 m 20 m 크기의 일정 조사면에 5 m의 높이에서 된다. 비친 조도분포도로, 중심광 106 lux인 것을 확인하였다. Fig. 613
KyungSun Yoo, ChangSoo Lee, DongHoon Hyun (a) 90 (a) 90 (b) 120 Fig. 12 Illuminance chart (b) 120 Fig. 11 Luminous intensity distribution pattern 12(b)는 120 의 렌즈를 적용하였을 때, 37 m 37 m 크기의 일정 조사면에 5 m의 높이에서 비친 조도분포도로, 중심광 49.9 lux인 것을 확인하였다. 4. 실험 결과 (a) Reflector of 45 (b) Reflector of 60 (c) Lens of 90 (d) Lens of 120 4.1 광학계 Mockup 제품 제작 설계 및 시뮬레이션을 통해 검증된 데이터를 토대로 Fig. 13의 광학계 Mockup을 제작하였다. 광학계 Mockup은 직가공 방식 으로 제작되었으며, 초정밀 가공장비인 DTM (Diamond Turning Machine)[9]을 통해 표면정도 1 μm의 정삭 가공을 진행하여 신뢰 할 수 있는 광학적 성능을 확보하였다. 비구면 반사체와 비구면 렌 즈 모두 소재는 PMMA로 가공하였으며, 비구면 반사체는 반사면 Fig. 13 Mockup of optical system 에 알루미늄 증착 코팅을 하여 시뮬레이션 상의 데이터와 동일한 제작하여 광학계의 실제 성능을 분석하였다. 먼저 COB LED의 87%의 반사율을 확보하였다. 방열을 위한 히트싱크를 제작하였는데 비구면 반사체의 크기와 비 구면 렌즈의 크기가 서로 다르기 때문에 Fig. 14와 같이 두 가지 4.2 COB LED High Bay 시제품 제작 타입의 Haetsink를 제작하였다. 히트싱크의 성능은 측정결과 Tc 앞서 제작한 광학계를 적용한 COB LED High Bay 시제품을 614
(a) Heatsink of reflector type (a) 45 (b) Heatsink of lens type Fig. 14 Heatsink (b) 60 (a) Canopy (b) Waterproof ring (c) 90 (c) Reflector cover (d) SMPS Fig. 15 Major parts of LED high bay (d) 120 Fig. 17 Light source shape of COB LED high bay 온도 70 C를 확인하였다. 그 외의 부속품으로는 3D 프린터를 사 용하여 Fig. 15(a)의 Canopy를 제작하였고, COB LED High Bay 방수를 위해 전면에는 Fig. 15(b)의 자체 설계 제작한 방수링 을 적용하고, 후방부에는 상용품인 케이블 그랜드를 적용하여 완벽 한 방수를 실현하였다. 또한 반사체의 안전한 조립과 커버 역할을 (a) High bay of reflector type(45 ) (b) High bay of reflector type(60 ) 해줄 수 있는 Fig. 15(c)의 반사체 커버와 Fig. 15(d)의 100W급의 스위칭 회로를 이용한 전원공급장치를 조립하여 최종적으로 Fig. 16의 COB LED High Bay 시제품을 제작하였다. 4.3 COB LED High Bay 조명 성능 측정 Fig. 17은 제작된 COB LED High Bay에 전원을 공급했을 때 실제 육안으로 확인한 그림이다. 그림과 같이 색 분리 현상으로 인 (c) High bay of lens type(90 ) 한 패턴이 보이지 않는 것을 확인하였다. (d) High bay of lens type(120 ) Table 7은 COB LED High Bay를 고니오포토미터(Goniopho Fig. 16 Prototype of COB LED high bay 615
KyungSun Yoo, ChangSoo Lee, DongHoon Hyun [10] tometer) 를 사용하여 측정한 데이터이고, Fig. 18은 측정 배광 Table 7 Measurement data of LED high bay Light Light TotalLum Distribution Efficiency ( ) Angle [ /W] Source Volt [V] Source Current [A] Source Watt [W] 45 13,504 125.76 220.04 0.488 107.38 60 13,251 123.97 219.93 0.486 106.89 90 14,299 132.47 219.84 0.491 107.94 120 13,442 126.53 219.95 0.483 106.24 그래프이다. 배광 그래프를 조명 시뮬레이션 상의 방사 패턴 그래프와 비교하 였을 때 동일한 배광 형태와 동일한 배광각을 구현하였다. 이로써 연구 광학계가 목표한 45, 60, 90, 120 의 배광각을 모두 달성 한다는 것을 확인하였다. 5. 결 론 본 논문에서는 다양한 LED 조명 배광각을 갖는 COB LED 조 명용 광학계를 연구하였다. 연구 배광각으로 45, 60, 90, 120 를 목표로 삼았으며 이 중 45, 60 는 반사체 형, 90, 120 은 렌즈형으로 개발하였다. 광학 계 설계 과정에서 COB LED와 광학계 사이에서 발생할 수 있는 색 분리 현상을 반사체와 렌즈의 표면에 삼각함수형의 교차 파동 (a) Simulation of 45 패턴을 적용하여 해결하였다. (b) Measurement data of 45 또한 비구면을 사용하여 목표한 배광각을 구현하면서 광균일도 를 이룰 수 있는 이상적인 배광패턴을 가진 광학계를 설계하였다. 시뮬레이션을 통해 광학계의 성능을 확인하였고, 광학계 Mockup을 제작하였다. 광학계 Mockup을 적용한 LED High Bay 시 제품을 제작하여 조명 성능을 측정 후 배광각을 시뮬레이션 데이터 와 비교 실험한 결과 조명 시뮬레이션 상의 방사 패턴 그래프와 동 일한 배광 형태와 동일한 배광각을 보였다. 본 LED High Bay 시제품을 다양한 배광의 구현이 가능함에 (a) Simulation of 60 (b) Measurement data of 60 따라 공간 시뮬레이션을 통해 맞춤형 설치가 가능하며, 제작 시 기 존의 POB형 조명이 아닌 COB LED를 적용한 High Bay를 제작 함으로서 LED 히트싱크의 크기가 줄었으며, 그에 따른 조명 전체 의 무게가 감소하였다. 더불어 한 개의 모듈과 한 개의 광학계를 사용함으로서 부품의 간소화에 따른 가격 경쟁력이 향상될 것으로 예측되어 앞으로 시장에 적용성이 용이할 것이다. References (a) Simulation of 90 (b) Measurement data of 90 [1] Korean Industrial Health Association, 1990, Fatigue Countermeasures of Eye, Industrial health, 22 3840, Republic of Korea. [2] Chung, I. H., 2012, Study on Improvement of the Luminous Intensity Uniformity using Aspheric Reflector Optical LED Lighting, Doctorate Thesis, Korea Polytechnic University, Republic of Korea. [3] Choi, S. Y., 2010, Design of LED Lens for the Improvement of Illuminance Uniformity, Master Thesis, Chonnam University, (a) Simulation of 120 (b) Measurement data of 120 Republic of Korea. Fig. 18. Luminous intensity distribution pattern of prototype [4] Shoumei, G., 2006, Lighting Hanbook, Ohmsha, Japan. 616
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